DE3435650A1 - FIBER OPTICAL SENSOR - Google Patents
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Description
R.E.Epworth 25-6R.E. Epworth 25-6
Faseroptischer SensorFiber optic sensor
Die Erfindung geht aus von einem faseroptischen Sensor wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.The invention is based on a fiber optic sensor as indicated in the preamble of claim 1.
Es gibt gegenwärtig eine Reihe von Sensoren, bei denen von der optischen Interferenz Gebrauch gemacht wird, um sehr kLeine Längenänderungen einer MonomodelichtLeitfaser zu ermitteln.There are currently a number of sensors in which Optical interference is used to introduce very small changes in the length of a single-mode light guide fiber determine.
Figur 1 ist ein BLockschaLtbiLd zur Erläuterung des Prinzips, Das von einer Lichtquelle 1 abgegebene Licht wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, welche sich in zwei Monomode-Lichtwegen 2 und 3 ausbreiten. Die beiden Lichtwege bilden die beiden Arme eines Interferometers. Ein Effekt, dessen Größe gemessen werden soll, bewirkt im einen Lichtweg eine Weglängenänderung. Die beiden Lichtwege werden nach einer bestimmten Wegstrecke wieder miteinander vereinigt und es erfolgt eine Interferenz der beiden Teilstrahlen, die sich in den beiden Armen ausgebreitet haben. Die Intensität der optischen Strahlung, die auf einen Photodetektor 4 auftrifft, variiert sinusförmig, und zwar abhängig von der jeweiligen Interferenz. Die Amplituden schwanken zwischen einem Maximalwert, der durch Addition der beiden Amplituden gebildet wird, und dem Wert null, bei dem die Überlagerung eine Auslöschung zur Folge hat. Die jeweilige Interferenz hängt vonFigure 1 is a block diagram to explain the principle, The light emitted by a light source 1 is split into two partial beams, which split into two single-mode light paths Spread out 2 and 3. The two light paths form the two arms of an interferometer. An effect, its size is to be measured, causes a path length change in one light path. The two light paths are after a certain Distance reunited with each other and there is an interference of the two partial beams, which are in have spread the two arms. The intensity of the optical radiation that strikes a photodetector 4, varies sinusoidally, depending on the respective interference. The amplitudes fluctuate between a maximum value, which is formed by adding the two amplitudes, and the value zero, at which the superposition results in cancellation has the consequence. The particular interference depends on
ZT/P1-Sm/V, 15.09.1984 - 4 -ZT / P1-Sm / V, 09/15/1984 - 4 -
R.E.Epworth 25-6R.E. Epworth 25-6
der WegLängendifferenz in den beiden Armen ab. Wie in der Fig. 2 dargestellt, bewirkt eine Weglängendifferenzänderung um eine halbe Wellenlänge eine Änderung der Amplitude vom Maximal- zum Minimalwert. Folglich bewirkt eine Änderung der Größe der Einwirkung auf die Lichtleitfaser eine Intensitätsänderung am Photodetektor.the path length difference in the two arms. Like in the Fig. 2, causes a change in path length difference a change in amplitude from the maximum to the minimum value by half a wavelength. Consequently, a Change in the magnitude of the action on the optical fiber a change in intensity on the photodetector.
Bei der Realisierung eines faseroptischen Sensors wird die Empfindlichkeit hinsichtlich des Werts des zu messenden Effekts von den Rauschquellen des Meßsystems begrenzt/ wobei die "optische Rauschquelle" meistens dominierend ist. Bei einer Weg längenänderung null sind die Intensitätsänderungen nur durch Schwankungen der Quelle verursacht; diese sind üblicherweise relativ niedrig. Ein nicht abgeglichene rlnterferometer wirkt als optischer Frequenzdiskriminator, dessen Empfindlichkeit hinsichtlich des Phasenrauschens der Quelle mit der Weglängendifferenz zunimmt. HaIbLeiterlaserdiöden, die klein sind und eine unebene Oberfläche aufweisen, sind Bauelemente, die bei faseroptischen Sensoren häufig verwendet werden. Diese Bauelemente verursachen jedoch in einem Interferometersystem Rauschen, verursacht durch Schwankungen der optischen Weglänge und Rauschen, das durch longitudina Ie Schwingungsmoden verursacht wird. Weil Laserquellen eine endliche spektrale Breite haben, kann der "Grad der Kohärenz" mit der Weglänge variieren. Bedingt durch die zuvor erwähnten Phänomene hängt das bei einem Zweiweg-Interferometersensor, bei dem eine HalbleiterlaserquelIe verwendet wird, am optischen Detektor gemessene Rauschen stark von der Weglänge ab. Dies ist in der Fig. 3 dargestellt. Es ist zu sehen, daß das Rauschen bei der Weglängendifferenz null am geringsten ist und daß es sich mit der Weglängendifferenz stark ändert. When realizing a fiber optic sensor, the sensitivity to the value of what is to be measured Effect limited by the noise sources of the measuring system / where the "optical noise source" is mostly dominant. If the path length changes zero, the intensity changes are caused only by fluctuations in the source; these are usually relatively low. An unmatched one rinterferometer acts as an optical frequency discriminator, its sensitivity to phase noise the source increases with the path length difference. Half-conductor laser diodes that are small and have an uneven surface have, are components that are used in fiber optic Sensors are commonly used. However, these components cause noise in an interferometer system due to fluctuations in the optical path length and noise caused by longitudina Ie oscillation modes will. Because laser sources have a finite spectral width, the "degree of coherence" can vary with path length. Due to the phenomena mentioned above, this depends on a two-way interferometer sensor, in which one Semiconductor laser source is used at the optical Noise measured by the detector strongly depends on the path length. This is shown in FIG. 3. It can be seen that that Noise is lowest when the path length difference is zero and that it changes greatly with the difference in path length.
- 5 R.E.Epworth 25-6- 5 R.E. Epworth 25-6
Um mit dem Sensor die besten Ergebnisse zu erzielen ist es wichtig, den Betrieb auf kLeine WegLängendifferenzen zu beschränken, z.B. auf wenige Mikrometer und weniger. Die tatsächLichen Längen der beiden LichtLeitfaserarme entsprechend dieser Genauigkeit zu reaLisieren ist nicht praktikabel und deshalb sind Mittel zur automatischen WeglängenangLeichung wünschenswert. Die Länge des einen Licht-Lei tfaserarms kann an die Länge des anderen LichtLeitfaserarms mit Hilfe eines FasersteL IgLieds 5 angepaßt werden; dieses kann beispielsweise so realisiert werden, daß die LichtLeitfaser auf einen ZyLinder aus einem piezoelektrischen Material gewickelt wird. Es verbleibt dann noch das Problem, wie für das FasersteL Ig Li ed ein geeignetes RegeLsignaL erzeugt wird. Hierbei ist ein großes Problem, welches Vorzeichen für den erforderlichen Phasenschieber gewählt werden muß (d.h. weLches ist der längere Lichtleitfaserarm?). Der Zusammenhang zwischen Kohärenz der Lichtquelle, Rauschen am Detektor und WegLängendifferenz ist so komplex, daß es nicht möglich ist, darauf auf einfache Weise das Vorzeichen der Weg längendifferenz zu ermitteln. In order to achieve the best results with the sensor, it is important to operate with small path-length differences to be limited, e.g. to a few micrometers and less. The actual lengths of the two fiber optic arms Realizing according to this accuracy is not practicable and therefore means for automatic path length calibration are necessary desirable. The length of one light guide arm can match the length of the other light guide arm can be adjusted with the help of a fiber connector 5; this can be realized, for example, that the Optical fiber on a cylinder made of a piezoelectric Material is wrapped. There then remains the problem of how to find a suitable one for the fiber structure RegeLsignaL is generated. A big problem here is what sign for the required phase shifter must be chosen (i.e. which is the longer fiber optic arm?). The relationship between the coherence of the light source, noise at the detector and path length difference is so complex that it is not possible to determine the sign of the path length difference in a simple way.
Bei der neuen Lösung wird von der zweifachen Auswirkung einer mit niedrigem PegeL erfolgenden sinusförmigen Modulation des Steuerstroms auf die Laser-Emission Gebrauch gemacht. Eine Zunahme des Steuerstroms für den Laser hat eine Zunahme der optischen Intensität und gleichzeitig eine Zunahme der EmissionsweILenlänge zur Folge. Bei einer willkürlichen Weglängendifferenz wird die Intensität des Lichts, das bei der Lichtque I Lenmodu lationsfrequenz auf den optischen Detektor auffäLlt, beidseitig eines Interferenzringes gemessen. Der Effekt der LichtqueLLenintensitätsmodu lation ist natürlich auf beiden Seiten des Ringes gleich, wie anhand von Fig. 4 zu sehen ist. WieThe new solution has the dual effect of low-level sinusoidal modulation made use of the control current on the laser emission. Has an increase in the control current for the laser an increase in the optical intensity and at the same time an increase in the emission wavelength result. At a arbitrary path length difference is the intensity of the Light that occurs at the Lichtque I Lenmodu lationsfrequency falls on the optical detector, measured on both sides of an interference ring. The effect of the light source intensity modulus lation is of course on both sides of the Ring the same, as can be seen with reference to FIG. As
R.E.Epworth 25-6R.E. Epworth 25-6
weiterhin anhand von Fig. 4 zu sehen ist, ist auf der Seite des Rings, die von der Weglängendifferehz nuLL weiter entfernt ist, das WeLLenLängenmoduLationssignaL der LichtqueLLe nach der DemoduLation in Phase mit der Intensitäts-moduLation und erhöht das SignaL. Auf der Seite des Rings, der näher bei der WegLängendifferenz nuLL Liegt, ist das demoduLierte WeLLenLängenmoduLationssignaL in Gegenphase zur IntensitätsmoduLation und Löscht diese teiLweise .aus.can also be seen with reference to FIG. 4, is on the Side of the ring that continues from the path length difference nuLL removed, the wave-length modulation signal of the light source after the demodulation in phase with the intensity modulation and increases the signal. This is on the side of the ring that is closer to the path length difference nuLL demodulated wave-length modulation signals in opposite phase for intensity modulation and partially deletes it.
Dadurch ist es mögLich, durch VergLeich des SignaLpegeLs bei der QueLLenmoduLationsfrequenz beidseitig eines Interferenzringes eine eindeutige Vorzeichenbestimmung für die WegLängendifferenz zu erhaLten und somit wird eine automatische AusregeLung der WegLängen mögLich. Ist der geregeL-te Zustand erreicht, dann ist in an sich bekannter Weise eine PhasenverriegeLung gegenüber der Drift der WegLängendifferenz mögLich. Es kann dabei in vorteiLhafter Weise die Neigung der Kohärenzfunktion beidseitig eines Ringes ausgewertet werden.This makes it possible to compare the signal level at the source modulation frequency on both sides of an interference ring a clear determination of the sign for the Path length difference and thus becomes an automatic Adjustment of the path lengths possible. Is the regulated one When the state is reached, there is a phase lock with respect to the drift of the path length difference in a manner known per se possible. It can do this in an advantageous manner the inclination of the coherence function on both sides of a ring be evaluated.
Wie die PhasennuLLregeLung reaLisiert wird, hängt stark von den Anforderungen und der Betriebsweise des jeweiLigen Sensors ab. Anhand der Fig. 5 wird eine mögLiche ReaLisierung für einen interferometrisehen Sensor erLäutert, bei dem ein automatischer NuLLabgLeich der WegLängendifferenz zwischen dem Sensor- und dem Referenz-LichtLeitfaser Lichtweg erfoLgt.How the phase control is implemented depends heavily on the requirements and the mode of operation of the respective sensor away. A possible implementation is shown on the basis of FIG for an interferometric sensor, in which a automatic zero adjustment of the path length difference between the sensor and the reference fiber optic light path is successful.
Die Grundanordnung des Interferometers stimmt mit der Anordnung nach Fig. 1 überein. Ein SteuerstrommoduLator 6 führt ein HoduLationssignaL, das die Frequenz f-hat, mit niedrigem PegeL der LichtqueLLe 1 (Laser) zu, wodurch eine Intensitäts- und We LLenLängenmoduLation des von dem Laser abgegebenen LichtstrahLs bewirkt wird. Dieser LichtstrahLThe basic arrangement of the interferometer agrees with the arrangement according to FIG. 1. A control current modulator 6 carries with it a modulation signal which has the frequency f low level of the light source 1 (laser), which results in an intensity and wave-length modulation of the emitted by the laser emitted light beam is effected. This ray of light
R.E.Epworth 25-6R.E. Epworth 25-6
wird dem Interferometer zugeführt. Dem piezoeLektrischen FasersteLLglied 5 werden über eine Steuerstufe 7 zwei Steuersignale zugeführt. Das eine davon wird in einem Generator 8 erzeugt und hat eine niedrigere Frequenz f_.is fed to the interferometer. The piezoelectric Fiber control elements 5 are two via a control stage 7 Control signals supplied. One of these becomes in one Generator 8 generates and has a lower frequency f_.
Es bewirkt eine Steuerung der WegLänge dergestalt, daß deren Länge innerhalb eines bestimmten Bereiches (eine halbe Wellenlänge des optischen Signals) von Weglängendifferenzen schwankt. Bei Werten gleich der halben Maximalamplitude beidseitig des Rings wird die mit f. schwankende Intensität gemessen. Hierzu sind ein Detektor und eine Regelschaltung 9 vorgesehen. Die beiden Intensitätswerte werden miteinander verglichen, um das Vorzeichen für die Weglängendifferenz zwischen den beiden Interferometerarmen zu ermitteln, und es wird ein Fehlersignal ermittelt. Dieses Fehlersignal wird der Steuerstufe 7 zugeführt und dort dem Signal mit der Frequenz f_ überlagert. Das in der Steuerstufe 7 durch überlagerung erzeugte Signal wird dem Faserste I Ig Li ed 5 zugeführt und bewirkt so einen Abgleich der Weglängen.It effects control of the path length such that their length within a certain range (half a wavelength of the optical signal) of path length differences fluctuates. With values equal to half the maximum amplitude on both sides of the ring, the one that fluctuates with f Intensity measured. A detector and a control circuit 9 are provided for this purpose. The two intensity values will be compared to the sign of the path length difference to determine between the two interferometer arms, and an error signal is determined. This error signal is fed to the control stage 7 and there superimposed on the signal with the frequency f_. That in the Control stage 7 generated by a superimposed signal is fed to the fiber link I Ig Li ed 5 and thus effects an adjustment the distances.
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Claims (5)
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